基于组态王和plc的温度控制系统设计

基于PLC和组态王的温度控制系统设计,0761402103王利锋 0761402105赵进军,PLC和HMI基础,可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC，它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。,可编程控制器基础,可编程控制器的组成和工作原理,人机界面产品的特点,(1) 系统运行过程清晰化(2) 系统操作简单化(3) 显示报警(4) 数据归档(5) 报表系统,PLC控制系统硬件设计,在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。,PLC控制系统设计的基本原则和步骤,弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后,就可以把PLC应用到实际的工程项目中。无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图所示的步骤。,PLC控制系统设计步骤,PLC控制系统设计的一般步骤,1. 熟悉被控对象 2. 硬件选择 3. 编写应用程序 4. 程序调试 5. 编写技术文件,PLC的选型与硬件配置,PLC型号的选择本温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC属于小型整体式的PLC, 本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统10。完整的S7-200系列PLC实物如图所示。,S7-200 CPU的选择,S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。还有13KB程序和数据存储空间空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。配有2个RS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4 kbit/s，可用于较高要求的中小型控制系统11。 本温度控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使用CPU224以下的类型，不过为了能调用编程软件STEP 7 里的PID模块，只能采用CPU226及以上机种。,EM231模拟量输入模块,本温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成041mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号(80mV范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231模块需要用户通过DIP开关进行组态： SW1SW3用于选择热电偶类型，SW4没有使用，SW5,用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿。本系统用的是K型热电偶，所以DIP开关SW1SW8组态为00100000；EM231具体技术指标见表3-1。型号EM231模拟量输入模块总体特性 外形尺寸：71.2mm80mm62mm 功耗：3W输入特性本机输入：4路模拟量输入电源电压：标准DC 24V/4mA输入类型：010V，05V，5V,2.5V,020mA分辨率：12 Bit转换速度：250S隔离：有耗电从CPU的DC 5V （I/O总线）耗电10mADIP开关SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型热电偶为例）,表所示为如何使用DIP开关设置EM231模块，开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中，ON为接通，OFF为断开。,EM231校准和配置位置图如图所示,热电式传感器,热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度变化转换为电势变化,而热电阻是将温度变化转换为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中已得到广泛应用。该系统中需要用传感器将温度转换成电压，且炉子的温度最高达几百度,所以我们选择了热电偶作为传感器。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。国际标准热电偶有S、B、E、K、R、J、T七种类型，在本系统中，我们选用了K型热电偶（分度表如表3-3所示），其测温范围大约是01000。系统里的烤炉最高温度不过几百度，加上一定的裕度就足够了，另外其成本也不算高12。,I/O点分配及电气连接图,该温度控制系统中I/O点分配表如表所示。,2)系统整体设计方案及硬件连接图。系统选用PLC CPU226为控制器， K型热电偶将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过EM231模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过固态继电器控制炉子加热的通断来实现对炉子温度的控制。PLC和HMI相连接，实现了系统的实时监控。整个硬件连接图如图3-4和3-5所示。,图3-4 系统框架图,PLC控制器的设计,控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。,控制系统数学模型的建立,本温度控制系统中，传感器（电热偶）将检测到的温度信号转换成电压信号经过温度模块后，与设定温度值进行比较，得到偏差，此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正，返回对应工况下的固态继电器导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对炉子的温度控制。控制系统结构图如图3-6所示，方框图如图3-7所示。,图3-6 控制系统结构图,，R(s)为设定温度的拉氏变换式；E(s)为偏差的拉氏变换式； Gc(s)为控制器的传递函数；Go(s)为广义对象，即控制阀、对象控制通道、测量变送装置三个环节的合并；该温度控制系统是具有时滞的一阶闭环系统，传递函数为 （3-1）式3-1中，为对象放大系数；为对象时间常数；为对象时滞。 （3-2） 由阶跃响应法求得， =0.5；=2.5分钟；=1.2分钟。,PID控制及参数整定,比例、积分、微分三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律，具有反应速度快，控制及时，但控制结果有余差等特点。积分控制可以消除余差，但是工业上很少单独使用积分控制的，因为与比例控制相比，除非积分速度无穷大，否则积分控制就不可能想比例控制那样及时的对偏差加以响应，所以控制器的输出变化总是滞后与偏差的变化，从而难以对干扰进行及时且有效的控制。微分作用是对偏差的变化速度加以响应的，因此，只要偏差一有变化，控制器就能根据变化速度的大小，适当改变其输出信号，从而可以及时克服干扰的影响，抑制偏差的增长，提高系统的稳定性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差，而且控制效果要比纯比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起，就是比例积分微分（PID）控制,其数学表达式为式3-3中：为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。根据以上的分析，本温度控制系统适于采用PID控制。,PLC控制系统软件设计,PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，上一章已经详细介绍了本项目硬件连接。本章在硬件设计的基础上，将详细介绍本项目软件设计，主要包括软件设计的基本步骤、方法，编程软件STEP7-Micro/WIN的介绍以及本项目程序设计。,PLC程序设计方法,1. 图解法编程（1）梯形图法（2）逻辑流程图法（3）时序流程图法（4）步进顺控法2. 经验法编程3.计算机辅助设计编程,STEP7-Micro/WIN简单介绍,STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置）,本项目中PLC要与电脑正确通信，安装完STEP7-Micro/WIN编程软件且设置好硬件后，可以按下列步骤进行通讯设置。 （1）在STEP7-Micro/WIN运行时单击通讯图标，或从“视图”菜单中选择选项“通信”，则会出现一个通信对话框（如图4-2所示）。,（2）在对话框中双击PC/PPI电缆的图标，将出现PG/PC接口对话框或者直接单击“检视”栏中单击“设置PG/PC接口”也行。如图4-3所示。PG/PC接口对话框,（3）单击Properties按钮，将出现接口属性对话框，检查各参数的属性是否正确，其中通信波特率默认值为9.6kbps（如图4-4所示）。通信参数设置,程序设计,设计思路PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等，存入有关的数据寄存器，使定时器复位；按启动按钮，系统开始温度采样，采样周期为10秒；K型热电偶传感器把所测量的温度进行标准量转换（0-41毫伏）；模拟量输入通道AIW0通过读入0-41毫伏的模拟电压量送入PLC；经过程序计算后得出实际测量的温度T,将T和温度设定值比较，根据偏差计算调整量，发出调节命令。,梯形图程序,启动 绿灯亮,停止 红灯亮,上述程序中，I0.1和I0.2分别是启动和停止按钮，Q0.0和Q0.1分别是系统运行指示灯（绿灯）和系统停止指示灯（红灯），M0.0和M0.1是中间继电器。,这里用SM0.0直接调用了编程软件自带的PID子程序，即就是用PID指令向导编程。上面的指令中，PV_I为反馈值，也就是热电偶将检测到的当前温度值送入温度模块后输出的模拟电压值AIW0；Setpoint_R为设定值。每个PID回路都有两个输入变量，给定值SP和过程变量PV。执行PID指令前必须把它们转换成标准的浮点型实数。即先把整数值转换成浮点型实数值，再把实数值进行归一化处理，使其为0.0-1.0之间的实数。归一化的公式为R1=(R/S+ M) （3-1）式中，R1为标准化的实数值；R为未标准化的实数值；M为偏置，单极性为0.0，双极性为0.5；S为值域大小，为最大允许值减去最小允许值，单极性为32000，双极性为6400017。 在本项目中，R=100,即就是设定温度100度；S=32000,M=0.0,所以按照归一化公式R1=100/32000+0.0=0.03125，即Setpoint_R为0.03125.,调用PID模块,该网络的程序功能是把PID回路输出转换成占空比。因PID回路的输出PID0_Output为0.0-1.0之间的实数值，又因我们设置了采样时间为10秒，所以第一个指令MUL_R中INT2为100.0。ROUND是将实数转换成双整数，DI_I是将双整数转换成整数。VW2和VW4分别是采样周期内的加热时间和非加热时间。,上述程序用了两个100ms的定时器T241和T242来控制加热时间，其中Q0.3为连接固态继电器的输出端子。,该网络的程序是为了在电脑上通过STEP7-Micro/WIN编程软件显示当前温度和设定温度值而写的，其实也就是归一化的逆过程。若无该网络，则显示的温度值都是归一化的实数值，不便于记录和观察。,PID指令向导的运用,STEP7-Micro/WIN提供了PID Wizard（PID指令向导），可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的PID算法。此向导可以完成绝大多数PID运算的自动编程，用户只需在主程序中调用PID向导生成的子程序，就可以完成PID控制任务。PID向导既可以生成模拟量输出PID控制算法，也支持开关量输出；既支持连续自动调节，也支持手动参与控制18。本项目程序中就正好运STEP7-Micro/WIN软件自带的PID指令向导。从而使得程序简单易懂，同时也达到了控制要求。,首先打开“指令向导”，选择“PID”，如图4-6所示。,图4-6 配置PID指令,点击“下一步”后出现如图4-7所示画面。,图4-7 编辑0的PID配置,图4-8是配置PID环路参数的设置。其中，增益Kc=120,积分时间为3分钟，微分时间为1分钟，抽样时间为10秒。还有，PID环路的设定点设置为0.0-1.0，便于归一化处理。,图4-8 PID参数设置,一般单极性的值域都是0-32000，如图4-9所示。,图4-9 环路输入、输出设置,设置好以上所有步骤后，接下来需要根据回路表为PID参数分配存储地址，图4-10、图4-11和图4-12就是此作用。,图4-10 为PID配置分配内存,图4-11 创建初始化子例行程序,图4-12 为配置生成项目元件,到此为止，PID配置结束,基于组态王的HMI设计,人机界面（HMI）设计,HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等,双击工程管理器中的工程名，出现工程浏览器。在工程浏览器中，双击新建图标，新建画面（如图所示）。在这里我们制作了监控主界面、实时趋势曲线、历史趋势曲线、报警窗口等画面。下面详细介绍每个画面的设计方法。,监控主界面打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，把开关、温度仪表、闹钟直接拖进开发页面，再利用工具箱做好“开始”和“停止”按钮以及温度显示、设定画面、报警窗口等按钮。完整的主界面如图所示。运行组态王后，点击“开始”按钮，开关变绿色，系统开始运行，目前温度值下面的方框和仪表上都显示当前温度值，闹钟上显示当前日期。点击“设定画面”会进入参数设定画面，点击“报警窗口”会进入报警画面，实时趋势曲线和历史趋势曲线也是一样。点击“停止”按钮，系统运行结束，同时开关变红色。,实时趋势曲线,打开开发系统页面后，点击工具箱中的“实时趋势曲线”把实时趋势曲线放进开发页面，然后双击曲线画面，对曲线进行设置，如X轴和Y轴的设置及标示定义等，最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图所示的实时趋势曲线画面。系统运行时，实时趋势曲线会显示当前温度值的变化趋势和设定温度值。点击“返回主界面”按钮，就会回到主界面。,历史趋势曲线,打开开发系统页面后，点击“图库”，打开图库管理器，双击“历史曲线”把它放进开发页面，再双击历史趋势曲线画面，对曲线进行设置，包括曲线定义，坐标系，操作面板和安全属性等设置，最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图5-5所示的历史趋势曲线画面。系统运行时，画面上会记录某段时间内设定温度值和当前温度值的变化曲线。点击“返回主界面”按钮，就会回到主界面。,报警窗口,打开开发系统页面后，点击工具箱中的“报警窗口”把报警窗口放进开发页面，然后双击画面，对报警窗口进行设置，包括通用属性、列属性、操作属性、条件属性、颜色和字体属性的设置。最后利用工具箱做好“返回主界面”按钮，即可形成如图5-6所示的报警窗口画面。系统运行时，报警窗口会根据当前温度值做出适当的报警。此项目中我们设置当前温度低于90度时，“报警类型”栏显示当前温度偏低。当前温度超过105度时，“报警类型”栏显示当前温度偏高。,设定画面,设定画面的设计和上面4个画面类似，系统运行时该画面会显示增益Kc、积分时间Ti、微分时间Td、采样时间、设定温度等参数的值，未运行时和图6-2基本一样，只是没有值显示出来。,变量设置,打开工程浏览器，点击“数据词典”，再点击“新建”建立“设定温度”、“当前温度”、“启动”、“停止”、“Kc”、“Ti”、 “Td”、“采样时间”等变量。其中变量类型和寄存器是最关键的，在组态王和PLC之间传输的变量都是I/O类型的，只在组态王内部需要的是内存型的。,动画连接,开主界面，双击“开始”按钮，出现如图5-10的动画连接画面。在按下时左边打沟，点击“确定”，出现命令语言输入窗口，在该窗口中输入图5-11所示的命令，再点击“确定”，就完成了“开始”按钮的动画连接设置。这样，点击“开始”后，系统就开始